如何解決手機(jī)中的WiMax、藍(lán)牙和Wi-Fi共存問(wèn)題

Altair Semiconductor公司

從單功能蜂窩電話到具有豐富連接功能的各種多模多媒體設(shè)備，移動(dòng)電話的發(fā)展非常迅速。這種發(fā)展趨勢(shì)同時(shí)有益于用戶、運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商和應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員，但對(duì)手機(jī)OEM商來(lái)說(shuō)卻意味著難度越來(lái)越高，因?yàn)椴煌臒o(wú)線協(xié)議之間存在著難以處理的干擾問(wèn)題。比如：

1.藍(lán)牙：這是中端/高端手機(jī)中的標(biāo)配功能，可以提供耳機(jī)、筆記本(無(wú)線PC modem和/或同步功能)以及打印機(jī)等外設(shè)的短距離連接。

2.Wi-Fi：可以讓用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，打VoIP電話。

3.WiMax：很快會(huì)將與Wi-Fi相同的功能擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離，并且性能更加穩(wěn)定。

手機(jī)制造商幾年前就認(rèn)識(shí)到，藍(lán)牙和Wi-Fi(2.4GHz頻帶)的頻率非常接近，而且它們的天線靠在一起，再加上兩種協(xié)議完全不協(xié)調(diào)的事實(shí)，最終將導(dǎo)致發(fā)生故障的嚴(yán)重性能挑戰(zhàn)。藍(lán)牙和Wi-Fi芯片組供應(yīng)商在產(chǎn)品中增加了共存接口，實(shí)現(xiàn)了在共享無(wú)線頻率媒介上的仲裁，以防止沖突和信號(hào)劣化，從而有效解決了這一難題。

隨著移動(dòng)WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面臨新的干擾挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樾碌腤iMax協(xié)議工作在多個(gè)頻帶(在WiMax術(shù)語(yǔ)中定義為“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。這種頻率區(qū)間雖然比藍(lán)牙和Wi-Fi之間的大，但仍不足以避免共存問(wèn)題的發(fā)生。

一個(gè)典型的使用場(chǎng)合是，用戶一邊利用藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行蜂窩通話，一邊通過(guò)電話的WiMax無(wú)線鏈路下載電子郵件或?yàn)g覽互聯(lián)網(wǎng)，這時(shí)確保無(wú)線接口共存的完美機(jī)制就很有必要。如果沒(méi)有這種機(jī)制，話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)包吞吐量下降將導(dǎo)致用戶體驗(yàn)低劣。由于有越來(lái)越多的最終用戶使用藍(lán)牙和Wi-Fi配件(如藍(lán)牙耳機(jī)，Wi-Fi路由器)，因此最佳解決方案必須能與已經(jīng)投入使用的設(shè)備一起工作，而不是去修改現(xiàn)有設(shè)備。

WiMax和藍(lán)牙干擾

上述情景將用來(lái)分析從WiMax發(fā)射到藍(lán)牙無(wú)線鏈路的干擾模式，并確定其影響。圖1所示是一個(gè)由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的移動(dòng)電話組成的系統(tǒng)。藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)射功率是0dBm。在耳機(jī)天線處收到的信號(hào)電平是-40dBm。藍(lán)牙規(guī)范要求接收器能夠處理最高為-27dBm的干擾信號(hào)。

本例中手機(jī)的WiMax發(fā)射器工作在2.5-2.7GHz頻帶。WiMax功放(PA)的輸出功率可能高達(dá)+25dBm。WiMax和藍(lán)牙發(fā)射天線彼此靠得很近，用戶的手或手機(jī)擺放的表面通常會(huì)在它們之間造成10dB的路徑損耗。這樣一來(lái)，在藍(lán)牙帶通濾波器(BPF)輸入端產(chǎn)生的信號(hào)電平為+15dB。BPF必須能夠通過(guò)高達(dá)2.48GHz的頻率(最高的藍(lán)牙跳頻)，因此無(wú)法抑制超過(guò)3dB的無(wú)用WiMax信號(hào)，故至少有+12dB的干擾信號(hào)被傳遞到藍(lán)牙低噪放大器(LNA)。

圖1：由藍(lán)牙耳機(jī)和帶WiMax功能的手機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)。

假定藍(lán)牙抑制能力為-27dBm，那么很明顯無(wú)法有效抑制掉WiMax信號(hào)，這樣就會(huì)發(fā)生阻塞。另外，藍(lán)牙LNA輸入端如此強(qiáng)的信號(hào)可能會(huì)超過(guò)LNA的最大額定輸入功率，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。

為了便于討論，本文規(guī)定“本端”代表使用手機(jī)的一方，“遠(yuǎn)端”代表正在通話的另一方。只要手機(jī)的藍(lán)牙接收電路被WiMax發(fā)射信號(hào)阻塞，遠(yuǎn)端就會(huì)聽(tīng)到“喀喇”聲。

WiMax阻塞對(duì)本端的影響程度稍低些，因?yàn)閺氖謾C(jī)到耳機(jī)存在較高的路徑損耗，但對(duì)本端端點(diǎn)的干擾也不能被完全忽略。這種“喀喇”聲發(fā)生的概率異常的高。假設(shè)在以下場(chǎng)合(后文有解釋)，手機(jī)中的藍(lán)牙接收器最多有1/6的時(shí)間在用。根據(jù)WiMax的使用情況，隨著流量的增加，在較高頻率處，藍(lán)牙接收器將會(huì)被阻塞。如上所述，藍(lán)牙發(fā)射對(duì)WiMax接收有負(fù)面影響，但不是很?chē)?yán)重。

解決共存挑戰(zhàn)

根據(jù)上文的分析，顯然無(wú)法消除或者減輕無(wú)線或物理層(PHY)的干擾，因?yàn)檫@種干擾是系統(tǒng)與生俱來(lái)的。因此，解決方案必須通過(guò)更高的層即介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MAC層，可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的同步，并保證共享頻譜上的帶寬能夠以時(shí)分復(fù)用、非并性和公平的方式得到分配。這種解決方案可以消除任何潛在的沖突，同時(shí)仍能保持固有的鏈路性能屬性。

有許多應(yīng)用場(chǎng)合和使用情況需要解決，也即WiMax、藍(lán)牙和Wi-Fi發(fā)射和接收的各種組合，每種情況都有不同的鏈路掃描、建立和活動(dòng)模式。為了討論的連貫性，我們?nèi)允褂蒙厦娴睦觼?lái)解釋推薦的共存解決方案。后面我們還會(huì)在上述用例中增加Wi-Fi無(wú)線鏈路，該鏈路用以下要素表征：

移動(dòng)電話和WiMax基站之間的有效WiMax鏈路。

工作在SCO/HV3模式(商用藍(lán)牙耳機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)模式)的有效藍(lán)牙語(yǔ)音鏈路。

第一步是同步協(xié)議的時(shí)間基準(zhǔn)。首先，我們必須找到不同系統(tǒng)時(shí)鐘之間的‘最小公因子’，并確保它們能協(xié)調(diào)動(dòng)作。藍(lán)牙SCO/HV3模式的時(shí)基是625us，而WiMax的時(shí)基是基于5ms的幀。這意味著最小公因子時(shí)間間隔為15ms，在此期間可以處理3個(gè)WiMax幀和24個(gè)藍(lán)牙時(shí)隙。一旦解決方案被認(rèn)為能夠滿足15ms時(shí)間間隔，重復(fù)模式就可確保該解決方案基本上可用于這種模式。

在確定重復(fù)模式后，有必要確保兩個(gè)時(shí)基是同步的，并在整個(gè)鏈路的并行操作過(guò)程中仍能保持同步。由于WiMax基站決定了時(shí)基，因此移動(dòng)電話不可能控制相對(duì)于藍(lán)牙時(shí)基的相位。另一方面，移動(dòng)電話中的藍(lán)牙芯片組(假定它是藍(lán)牙鏈路上的主設(shè)備)有能力控制時(shí)鐘相位，并與WiMax鏈路上的時(shí)鐘取得同步。

當(dāng)藍(lán)牙鏈路上的主設(shè)備是耳機(jī)而不是移動(dòng)電話時(shí)，可以執(zhí)行主從切換(藍(lán)牙術(shù)語(yǔ)叫MSS)。一旦成為“主設(shè)備”，手機(jī)藍(lán)牙芯片就能復(fù)位鏈路的時(shí)鐘，并使之與WiMax時(shí)鐘對(duì)齊，從而有效地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)基的同步。隨著時(shí)間的推移，藍(lán)牙時(shí)鐘與WiMax時(shí)鐘的相對(duì)相位可能出現(xiàn)偏差，因此可能要求重新同步藍(lán)牙時(shí)鐘。圖2給出了兩條無(wú)線鏈路之間的時(shí)間和相位關(guān)系。

在兩條鏈路取得同步并確定基本的重復(fù)模式后，下一步就是建立兼顧兩個(gè)協(xié)議工作原理的帶寬分配機(jī)制。藍(lán)牙SCO/HV3模式定義了一個(gè)重復(fù)的六時(shí)隙周期(3.75ms)，在此期間只有兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙用于發(fā)射，一個(gè)用于主設(shè)備(用M代表)，一個(gè)用于從設(shè)備(用S代表)。在這個(gè)間隔時(shí)間內(nèi)移動(dòng)電話和耳機(jī)交換未壓縮的語(yǔ)音數(shù)據(jù)包。另外4個(gè)時(shí)隙尚未使用。這是一種非?；镜哪Ｊ剑瑳](méi)有定義任何調(diào)度機(jī)制、抖動(dòng)控制(在時(shí)隙級(jí))、重發(fā)、糾錯(cuò)技術(shù)甚至循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，因此任何錯(cuò)誤都將表現(xiàn)為“喀喇”噪聲。

WiMax幀由一個(gè)從基站向所有注冊(cè)移動(dòng)臺(tái)廣播發(fā)送的MAP消息組成。該消息映射了同一WiMax幀中不同移動(dòng)臺(tái)的接收間隔，同時(shí)在隨后的WiMax幀中分配發(fā)射間隔。緊隨MAP消息的是一個(gè)下行鏈路間隔或“區(qū)”(WiMax術(shù)語(yǔ))，用于基站向注冊(cè)移動(dòng)臺(tái)廣播、組播或單播發(fā)射。在下行鏈路區(qū)后是上行鏈路區(qū)，用于移動(dòng)臺(tái)在前面的WiMax幀期間接收發(fā)射分配時(shí)間。每個(gè)WiMax幀依次重復(fù)這種模式。

根據(jù)藍(lán)牙語(yǔ)音模式的基本特點(diǎn)，確保正確并行操作的基本方針是保證連續(xù)的藍(lán)牙發(fā)射和接收時(shí)隙。因此，基站在這些間隔內(nèi)(24時(shí)隙中的6個(gè)時(shí)隙，或25%的時(shí)間標(biāo)注“阻塞”)必須被禁止向移動(dòng)電話發(fā)射或分配發(fā)送機(jī)會(huì)。現(xiàn)在讓我們分析一下剩余75%的時(shí)間，以便理解哪些時(shí)間間隔可用于WiMax鏈路。幀[N]實(shí)際上未被移動(dòng)電話的WiMax鏈路使用---下行鏈路間隔未被使用，這是因?yàn)?，鑒于藍(lán)牙優(yōu)先級(jí)(時(shí)隙B1和B2)問(wèn)題，移動(dòng)電話不能在幀開(kāi)頭接收MAP消息。上行鏈路也由于藍(lán)牙優(yōu)先級(jí)(時(shí)隙B7和B8)的原因而未被使用。

在幀[N+1]期間，移動(dòng)電話可以接收和解碼MAP消息，并且允許它接收在B10和B12之間的間隙期(2.5ms)發(fā)送的突發(fā)信號(hào)，直到下一次藍(lán)牙分配(時(shí)隙B13和B14)。不過(guò)，幀[N+1]中的上行鏈路不能被移動(dòng)電話使用，因?yàn)樗鼪](méi)有接收到幀[N]中的MAP消息，該消息用于分配幀[N+1]的上行鏈路間隔中用于發(fā)射的帶寬。

在幀[N+2]中，由于藍(lán)牙占用了時(shí)隙B19和B20，移動(dòng)電話將不能接收來(lái)自基站的下行鏈路流量。幀[N+2]的上行鏈路間隔可能已經(jīng)被賦于了幀[N+1]的MAP消息中的發(fā)射機(jī)會(huì)，因此可用于移動(dòng)電話的發(fā)射。只要兩條鏈路保持有效，這種模式就會(huì)不斷重復(fù)。

這種機(jī)制的潛在規(guī)則是需要WiMax鏈路避免在某段時(shí)間內(nèi)發(fā)送信號(hào)。有兩種方法可以做到這一點(diǎn)：

1. 移動(dòng)電話可以使用某種WiMax睡眠模式來(lái)避免在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)與基站發(fā)生交互。這種方法的缺點(diǎn)是在藍(lán)牙時(shí)隙B13和B14期間，在WiMax的發(fā)送中，可能存在誤包率(PER)，不過(guò)這種可能性比較低，而且在任何情況下都可以通過(guò)WiMax中的前向糾錯(cuò)(FEC)和重發(fā)機(jī)制來(lái)加以克服。

2. 根據(jù)預(yù)協(xié)商的手機(jī)功能信息，基站調(diào)度器禁止在B13和B14兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行接收和發(fā)射分配。這種方法要求對(duì)WiMax標(biāo)準(zhǔn)作少量補(bǔ)充，以便支持手機(jī)和基站之間的共存功能協(xié)商。

把Wi-Fi增加入共存機(jī)制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。Wi-Fi與以太網(wǎng)非常相似，也是一種載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)協(xié)議，它采用的不是時(shí)間分配機(jī)制，而是沖突檢測(cè)和隨機(jī)后退方法。

因此也就不可能將異步協(xié)議同步到推薦的共存機(jī)制。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用Wi-Fi中稱(chēng)為非排程自動(dòng)省電(U-APSD)的模式加以解決。這種模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手機(jī)在該模式下可以進(jìn)入睡眠模式，讓接入點(diǎn)緩存所有發(fā)送往手機(jī)的信息，直到預(yù)定義的緩沖器溢出。當(dāng)手機(jī)退出睡眠模式時(shí)，它向接入點(diǎn)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)幀，接入點(diǎn)隨后將所有緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，從而有效地保持了常規(guī)CSMA/CD操作的類(lèi)似性能。

這種模式在推薦共存機(jī)制中的使用方法是強(qiáng)迫手機(jī)Wi-Fi模式在間隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期間進(jìn)入U(xiǎn)-APSD睡眠模式，并在其它時(shí)間內(nèi)(10/24或42%)保持激活狀態(tài)。這樣對(duì)Wi-Fi吞吐量造成的影響是很小的，可忽略不計(jì)。

圖2中的其它時(shí)隙(標(biāo)記為“OP”)代表了對(duì)某個(gè)無(wú)線鏈路來(lái)說(shuō)可能可用也可能不可用的發(fā)射和接收機(jī)會(huì)，這些時(shí)隙可以用任何傳統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)算法進(jìn)行分配。

前述共存方案的優(yōu)點(diǎn)是：

1. 只有少許吞吐量的損失就消除了共存問(wèn)題。

2. 可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入點(diǎn)(大多數(shù)都支持)和藍(lán)牙耳機(jī)。

3. 無(wú)需對(duì)商用的藍(lán)牙和Wi-Fi手機(jī)芯片組作任何硬件改動(dòng)。

本文小結(jié)

手機(jī)和手持設(shè)備中WiMax、藍(lán)牙和Wi-Fi的共存帶來(lái)了艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙噜彑o(wú)線頻帶上的發(fā)送可能會(huì)發(fā)生沖突，并嚴(yán)重降低性能。本文推薦的共存機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)WiMax和藍(lán)牙時(shí)鐘的同步，時(shí)間上共享無(wú)線頻帶(以一種盡可能減小對(duì)各自無(wú)線鏈路性能影響的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，因而有效地解決了這方面的挑戰(zhàn)。